RocketMQ中台化建设

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本文字数：4223字

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一、RocketMQ简介

RocketMQ是一个高可用、高性能、高可靠的分布式消息队列，相对于kafka更适合处理业务系统之间的消息。

它具有很多特性，例如：

发布订阅
顺序、事务、定时消息
消息堆积、重试，回溯等等

它通过同步刷盘和同步双写等技术手段来实现高可靠，保证如下情况消息不丢：

可恢复性故障：broker或OS crash等
不可恢复性故障：磁盘损坏等

它采用多项技术优化来满足性能要求：

顺序IO
PageCache和mmap
内存预热和锁定
异步提交和刷盘
堆外内存缓冲等等

所以，它的本质决定的其架构一定是复杂的，参考RocketMQ官方架构图：

这里不再介绍各个组件的含义，可以参考RocketMQ架构设计。

RocketMQ经过阿里多年双十一的检验，其稳定性不言而喻。

可作为搜狐视频的消息中台，还需要很长一段路要走，为什么这么说呢？

二、运维之痛

早在2014年我们就引入了RocketMQ作为消息中间件，其附带了基本的命令行工具。

但是命令行运维此等庞然大物会让人感到力不从心，好在社区提供了一个web控制台：RocketMQ-Console。

在初期，简单的控制台已经能满足基本的需求。但是随着各个业务逐渐接入，需求也纷至沓来。

我们在RocketMQ-Console的修修补补已经无法满足了，主要体现在如下几点：

从业务方的角度：

偏重运维，一般业务用户不关心集群的数据和状态，无法聚焦。
使用起来繁琐，且直接操作集群，易误操作。
没有监控预警功能。
无法满足业务用户的需求，包括但不限于：

序列化
trace
流控，隔离降级
埋点统计监控等等

一些隐性问题无法解决。

从管理员维度：

无用户概念，任何人都能直接操作集群，易误操作且比较危险。
无集群管理功能，日常更新或机器替换需要手动部署，非常耗时、麻烦且易出错。
无相关数据统计，监控，预警等，往往有问题不能及时发现。

另外，RocketMQ有一些潜在约定、使用规范、最佳实践、bug或优化等等，用文档说明也无济于事。

所以与其写文档不如将经验和实践转换为产品，能够更好的服务于业务及运维集群，于是MQCloud应运而生。

三、MQCloud诞生

先看一下MQCloud的定位：

它是集客户端SDK，监控预警，集群运维于一体的一站式服务平台。

MQCloud的系统架构如下：

下面来分别说明一下MQCloud如何解决上面提到的痛点。

业务端和运维端分离，使业务用户只聚焦于业务数据。

为了实现这个目的，引入了用户，资源两大维度。

针对用户和资源加以控制，使不同的用户只聚焦于自己的数据。

对于生产者来说，他关心的是topic配置，消息的发送数据，谁在消费等等问题，这样只对他展示相应的数据即可；
对于消费者来说，只关心消费状况，有没有堆积，消费失败等情况；
对于管理员来说，可以进行部署，监控，统一配置，审批等日常运维；

清晰明了的操作

通过对不同角色展示不同的视图，使用户可以进行的操作一目了然。

规范和安全

为了保障集群操作的安全性和规范性，所有的操作都会以申请单的形式进入后台审批系统，管理员来进行相关审批，安全性大大提升。

多维的数据统计和监控预警

MQCloud核心功能之一就是监控，要想做监控，必须先做统计，为了更好的知道RocketMQ集群的运行状况，MQCloud做了大量的统计工作，主要包括如下几项：

每分钟topic的生产流量：用于绘制topic生产流量图及监控预警。
每分钟消费者流量：用于绘制消费流量图及监控预警。
每10分钟topic生产流量：用于按照流量展示topic排序。
每分钟broker生产、消费流量：用于绘制broker生产消费流量图。
每分钟broker集群生产、消费流量：用于绘制broker集群的生产流量图。
每分钟生产者百分位耗时、异常统计：以ip维度绘制每个生产者的耗时流量图及监控预警。
机器的cpu，内存，io，网络流量，网络连接等统计：用于服务器的状况图和监控预警。

下面来分别介绍每项统计是如何收集的：

每分钟topic的生产流量

此数据来自于RocketMQ broker端BrokerStatsManager，其提供了统计功能，统计项如下：

TOPIC_PUT_NUMS：某topic消息生产条数，向某个topic写入消息成功才算
写入成功包括四种状态：PUT_OK，FLUSH_DISK_TIMEOUT，FLUSH_SLAVE_TIMEOUT，SLAVE_NOT_AVAILABLE
TOPIC_PUT_SIZE：某topic消息生产大小，向某个topic写入消息成功才算

RocketMQ实现的统计逻辑较为精巧，这里做简单描述，首先介绍几个对象：

StatsItemSet主要字段及方法如下：

ConcurrentMap<String/* statsKey */, StatsItem> statsItemTable; // statsKey<->StatsItem
// 针对某个数据项进行记录
public void addValue(final String statsKey, final int incValue, final int incTimes) {
    StatsItem statsItem = this.getAndCreateStatsItem(statsKey);
    statsItem.getValue().addAndGet(incValue);
    statsItem.getTimes().addAndGet(incTimes);
}
// 获取并创建StatsItem
public StatsItem getAndCreateStatsItem(final String statsKey) {
    StatsItem statsItem = this.statsItemTable.get(statsKey);
    if (null == statsItem) {
        statsItem = new StatsItem(this.statsName, statsKey);
        this.statsItemTable.put(statsKey, statsItem);
    }
    return statsItem;
}

StatsItem主要字段及方法如下：

AtomicLong value; // 统计数据：比如消息条数，消息大小
AtomicLong times; // 次数
LinkedList<CallSnapshot> csListMinute; // 每分钟快照数据
LinkedList<CallSnapshot> csListHour; // 每小时快照数据
LinkedList<CallSnapshot> csListDay; // 每天快照数据
// 分钟采样
public void samplingInSeconds() {
    synchronized (csListMinute) {
        csListMinute.add(new CallSnapshot(System.currentTimeMillis(), times.get(), value.get()));
        if (csListMinute.size() > 7) {
            csListMinute.removeFirst();
        }
    }
}
// 小时采样
public void samplingInMinutes() {
  // ...代码省略
}
// 天采样
public void samplingInHour() {
  // ...代码省略
}

CallSnapshot主要字段如下：

long times; // 次数快照
long value; // 统计数据快照
long timestamp; //快照时间戳

上面三个对象如何配合进行数据统计呢？举个例子，比如统计topic名字为test_topic的消息生产大小：

只要进行类似如下调用即可：

StatsItemSet.addValue("test_topic", 123125123, 1)

即表示发送了1次消息到test_topic，消息大小为123125123。

那如何进行数据采样呢？StatsItemSet内置了定时任务，比如其每10秒调用一次StatsItem.samplingInSeconds()。这样StatsItem就会持有60秒的数据，类似如下结构：

那么，最后一个10秒的快照 - 第一个10秒的快照 = 当前60秒的数据，根据时间戳差值可以得到耗时。

类似，小时数据每10分钟进行一次快照，类似如下结构：

天数据每1小时进行一次快照，类似如下结构：

MQCloud每分钟遍历查询集群下所有broker来查询RocketMQ统计好的分钟数据，然后进行存储。

每分钟消费者流量

与每分钟topic的生产流量一样，也采用RocketMQ统计好的数据。

每10分钟topic生产流量

采用数据库已经统计好的每分钟topic流量进行累加，统计出10分钟流量。

每分钟broker生产、消费流量

由于统计1.每分钟topic的生产流量和2.每分钟消费者流量时是跟broker交互获取的，所以知道broker ip，故直接按照broker维度存储一份数据即可。

每分钟broker集群生产、消费流量

采用4.每分钟broker生产、消费流量数据，按照集群求和即可。

每分钟生产者百分位耗时、异常统计

由于RocketMQ并没有提供生产者的流量统计（只提供了topic，但是并不知道每个生产者的情况），所以MQCloud实现了对生产者数据进行统计（通过RocketMQ的回调钩子实现）:

主要统计如下信息：

客户端ip->broker ip
发送消息耗时
消息数量
发送异常

统计完成后，定时发送到MQCloud进行存储，并做实时监控和展示。

关于统计部分有一点说明，一般耗时统计有最大，最小和平均值，而通常99%(即99%的请求耗时都低于此数值)的请求的耗时情况才能反映真实响应情况。99%请求耗时统计最大的问题是如何控制内存占用，因为需要对某段时间内所有的耗时做排序后才能统计出这段时间的99%的耗时状况。而对于流式数据做这样的统计是有一些算法和数据结构的，例如t-digest，但是MQCloud采用了非精确的但是较为简单的分段统计的方法，具体如下：

创建一个按照最大耗时预哈希的时间跨度不同的耗时分段数组：
优点：此种分段方法占用内存是固定的，比如最大耗时如果为3500ms，那么只需要空间大小为96的数组即可
缺点：分段精度需要提前设定好，且不可更改

第一段：耗时范围0ms~10ms，时间跨度为1ms。
第二组：耗时范围11ms~100ms，时间跨度5ms。
第三组：耗时范围101ms~3500ms，时间跨度50ms。

优点：此种分段方法占用内存是固定的，比如最大耗时如果为3500ms，那么只需要空间大小为96的数组即可

缺点：分段精度需要提前设定好，且不可更

针对上面的分段数组，创建一个大小对应的AtomicLong的计数数组，支持并发统计：
耗时统计时，计算耗时对应的耗时分段数组下标，然后调用计数数组进行统计即可，参考下图：
这样，从计数数组就可以得到实时耗时统计，类似如下：

例如某次耗时为18ms，首先找到它所属的区间，即归属于[16~20]ms之间，对应的数组下标为12。
根据第一步找到的数组下标12，获取对应的计数数组下标12。
获取对应的计数器进行+1操作，即表示18ms发生了一次调用。

这样，从计数数组就可以得到实时耗时统计，类似如下：

然后定时采样任务会每分钟对计数数组进行快照，产生如下耗时数据：
由于上面的耗时数据天然就是排好序的，可以很容易计算99%、90%、平均耗时等数据了。

另外提一点，由于RocketMQ 4.4.0新增的trace功能也使用hook来实现，与MQCloud的统计有冲突，MQCloud已经做了兼容。

Trace和统计是两种维度，trace反映的是消息从生产->存储->消费的流程，而MQCloud做的是针对生产者状况的统计，有了这些统计数据，才可以做到生产耗时情况展示，生产异常情况预警等功能。

机器统计

关于集群状况收集主要采用了将nmon自动放置到/tmp目录，定时采用ssh连接到机器执行nmon命令，解析返回的数据，然后进行存储。

上面这些工作就为监控和预警奠定了坚实的数据基础。

单独定制的客户端

针对客户端的一些需求，mq-client在rocketmq-client的基础上进行了开发定制：

多集群支持
MQCloud储存了生产者、消费者和集群的关系，通过路由适配，客户端可以自动路由到目标集群上，使客户端对多集群透明。
trace
通过搭建单独的trace集群和定制客户端，使trace数据能够发往独立的集群，防止影响主集群。
序列化
通过集成不同的序列化机制，配合MQCloud，客户端无需关心序列化问题。
目前支持的序列化为protobuf和json，并且通过类型检测支持在线修改序列化方式。
流控
通过提供令牌桶和漏桶限流机制，自动开启流控机制，防止消息洪峰冲垮业务端。
隔离降级
使用hystrix提供隔离降级策略，使业务端在broker故障时可以避免拖累。
埋点监控
通过对客户端数据进行统计，收集，在MQCloud里进行监控，使客户端任何风吹草动都能及时得知。
规范问题
通过编码保障，使某些约定，规范和最佳实践得以实现。包括但不限于：

命名规范
消费组全局唯一，防止重复导致消费问题
重试消息跳过
安全关闭等等
更完善的重试机制

自动化运维

部署
手动部署一台broker实例没什么问题，但是当实例变多时，手动部署极易出错且耗时耗力。
MQCloud提供了一套自动化部署机制，并支持配置模板功能，支持一键部署。
机器运维
MQCloud提供了一整套机器的运维机制，包括上下线，机器状况收集、监控、预警等等，大大提升了生产力。

安全性加固

一、开启管理员权限

RocketMQ从4.4.0开始支持ACL，但是默认没有开启，也就是任何人使用管理工具或API就可以直接操纵线上集群。但是开启ACL对现有业务影响太大，针对这种情况MQCloud进行专门定制。

借鉴RocketMQ ACL机制，只针对RocketMQ管理员操作加固权限校验：

并且支持自定义和热加载管理员请求码，使得非法操作RocketMQ集群成为不可能，安全性大大提升。

二、broker通信加固

broker同步数据代码由于没有校验，存在安全隐患，只要连接master监听的slave通信端口，发送数据大于8个字节，就可能导致同步偏移量错误，代码如下：

if ((this.byteBufferRead.position() - this.processPostion) >= 8) {
  int pos = this.byteBufferRead.position() - (this.byteBufferRead.position() % 8);
  long readOffset = this.byteBufferRead.getLong(pos - 8);
  this.processPostion = pos;
  HAConnection.this.slaveAckOffset = readOffset;
  if (HAConnection.this.slaveRequestOffset < 0) {
      HAConnection.this.slaveRequestOffset = readOffset;
      log.info("slave[" + HAConnection.this.clientAddr + "] request offset " + readOffset);
  }
  HAConnection.this.haService.notifyTransferSome(HAConnection.this.slaveAckOffset);
}